Um bessere Differenzierungen von Farben und Kontrasten in den begrenzten Spielraum digitaler Kameras hinein zu bekommen, helfen Logarithmen. Verlässt man sich auf die standartisierten Umsetzungen bei der Digitalisierung von Bildern, werden von den Schatten zu den Lichtern die Bereiche alle genau gleich differenziert. Das hängt mit der Idee der Digitalisierung zusammen und mit der Wortbreite, welche dafür zur Verfügung steht.
Jeder Kamerasensor misst die Helligkeitswerte im Bild linear. Das bedeutet bei einer Umsetzung in 8 Bit dass für die ganz hellen Bereiche 256 bis 511 Bit, für die hellen Bereiche, 128 bis 255 Bit, die etwas weniger hellen 64 bis 127 Bit, die hellen Mitteltöne 31 bis 63 Bit, die mittleren Mitteltöne 16 bis 31 Bit, für die dunkleren Mitteltöne 8 bis 15 Bit, die helleren Schattenbereiche 7 bis 4 Bit, die mittleren Schatten 2 bis 6 und die dunklen Schatten 1-2 Bit an Informationesbreite zur Verfügung stehen. Dabei wird deutlich, dass in der digitalen Umwandlung für die hellen Werte, größere Informationsbreite und für die dunkleren nur eine sehr geringe Informationsbreite zur Verfügung stehen.
Wenn eine Kamera die Helligkeitswerte in den drei Farbkanälen RGB vom Sensor ausliest, kann sie entweder das Bild bereits in der Kamera und mit einem Normalverlauf interpretieren, dann liefert sie bereits ein fertiges Videobild, oder aber sie zeichnet, falls sie dazu in der Lage ist, RAW auf, dann bleiben alle Werte erhalten, aber die Datenmenge explodiert, oder man verwendet einen Logarithmus (Log), dann muss das kontrast,- und farbarme Videobild später zwingend gegradet werden.
Wer also relativ wenig Zeit hat oder investieren möchte und nicht zwingend das Letzte aus den Videosignalen herausholen muss, wird mit der Standardaufnahme besser fahren. Graden kostet viel zusätzliche Zeit, bietet allerdings auch erweiterte Möglichkeiten. Außerdem kann man bei Log Einstellungen häufig erst ab einer Empfindlichkeit von 3200 ISO und höher arbeiten, was unter Umständen das Rauschen im Bild erhöht.
Daten und Wortbreiten
Dabei kommt es sehr darauf an, welche Menge an Signalen der Prozessor der Kamera verarbeiten kann. Eine Kamera, die 12 Bit verarbeitet, kann 4096 verschiedene Helligkeitswerte messen, eine mit 14 Bit bereits 65536 verschiedene Werte. Leider haben nur hochwertige, teurere Videokameras solche Werte, die einfacheren Videokameras, aber auch Fotoapparate arbeiten mit 8 Bit, was lediglich 256 unterschiedlichen Helligkeitswerten entspricht. 10 Bit differenziert entsprechend 1024 Helligkeitsstufen. Für den Dynamikumfang, also die Anzahl an Blendenstufen, die aufgezeichnet werden können, ohne das das Videosignal in den Lichtern clippt und nur noch 100% Weiß ist bzw. in den Schatten nur noch Schwarz darstellt, bedeutet dies ebenfalls klare Einschränkungen. In 8 Bit kann man 8 Blenden, in 10 Bit 10 Blenden, in 12 Bit 12 Blenden und in 14 Bit 14 Blenden Dynamikumfang festhalten, solange man eine lineare Aufnahme macht, also kein Log verwendet.
Nimmt man linear in RAW auf, werden auch all diese Werte direkt vom Sensor ausgelesen und gespeichert. Das erhöht die Datenmengen allerdings erheblich. Die Verwendung von Log Gammakurven erlaubt es, die Datenmengen zu reduzieren. Man kann durch Log Kurven beispielsweise einen Dynamikumfang von 14 Blendenstufen, welcher, wie wir nun wissen, 14 Bit linear benötigen würde, mit einem 10 Bit Codec aufzeichnen. Die Kunst besteht darin, die vom Sensor gemessenen Werte anders zu verteilen, sie intelligent in den kleineren Datenumfang hinein zu quetschen. Aufnahmen die man in Log herstellt, sind deshalb nicht zum Veröffentlichen gedacht, sondern nur eine intelligente Vorstufe zur Weiterbearbeitung hin zu einer späteren Präsentation des Materials. Möchte man am Drehort oder im Grading trotzdem einen Eindruck vom tatsächlichen späteren Bild erhalten, kann man so genannte LUTs (Lookup Tables) verwenden, diese kehren im Prinzip die Log Kurve wieder um, übersetzen also die Helligkeitswerte für den Bildschirm, ohne die eigentliche Log-Aufnahme zu verändern.
Grundsätzlich kann man mit veränderten Gammakurven, welche von den Herstellern unterschiedlich benannt und ausgelegt werden, also mehr Bildinformationen aufzeichnen als bei linearer Kurve. Oft haben die Hersteller auch unterschiedliche Kurven entwickelt, so bietet Sony beispielsweise S-Log, S-Log 2 und S-Log 3 an. Die entsprechenden Profile anderer Kamerahersteller tragen meist den Anfangsbuchstaben der Firma oder der Kameraserie, also C-Log bei Canon oder V-Log von den Varicams von Panasonic.
Unterschiedliche Bedürfnisse
Auch wenn in dem obigen Beispiel nur eine Kurve eingezeichnet ist, ist das natürlich nur symbolisch gemeint, tatsächlich sind dort 3 Kurven vorhanden, für Rot Grün und Blau (RGB) jeweils eine.
Wenn man sich die Umsetzung von Helligkeitsunterschieden auf die digitale Gammakurve betrachtet, so fällt schnell auf, dass in den Schattenbereichen bereits geringe Helligkeitsunterschiede einen sichtbaren Effekt haben, während in den hellen Bereichen deutlich größere Helligkeitsveränderungen notwendig sind um als Helligkeitsschritt wahrgenommen zu werden. Anders ausgedrückt benötigen wir in den Schattenbereichen viel mehr Differenzierung als in den Lichtern. Eine lineare Gammakurve würde alle Helligkeitsstufen absolut gleich behandeln und damit viel Bildinformation dort verwenden, um nicht zu sagen verschwenden, wo sie gar nicht benötigt wird,- eben in den hellen Partien.
Die Log Kurven verteilen die Helligkeitsstufen so, dass die Wertigkeit der vom Menschen wahrnehmbaren Helligkeitsunterschiede berücksichtigt wird, in den Schatten also differenzierter und in den Lichtern etwas gröber aufgezeichnet wird. Auch wenn das jetzt etwas seltsam klingt, aber die größeren Stufen in den Lichtern bemerken wir nicht, weil sie genau unserem Sehempfinden entsprechen.
Grundsätzlich optimiert Log die Schatten und die Lichtbereiche, reduziert aber logischerweise in den Mitten etwas die Feinabstufungen. Dies bemerkt man umso mehr, wenn die Aufzeichnung lediglich in 8 Bit erfolgt. Das bedeutet, dass man Log bei 8 Bit nicht zwingend benötigt, wenn das Motiv vom Licht her recht gleichmäßig ausgeleuchtet ist und von sich aus schon innerhalb von 8 Blendenstufen bleibt. Je weniger Wortbreite wir haben, desto weniger Sinn macht Log. Bei 8 Bit ist Log nicht so sinnvoll wie bei 10 Bit und mehr.
Keine Logs bei geringem Licht oder geringem Kontrastumfang
Auch wenn man dafür je nach Hersteller sogar eine ganze Menge Geld hinlegen muss,- Log ist längst nicht immer sinnvoll. Es hilft immer dann, wenn die Helligkeitsunterschiede im Bild sehr groß sind und man annehmen kann, dass entweder die Lichter clippen, oder die Schatten nicht mehr differenziert wiedergegeben werden können.
Bitte unbedingt beachten, man sollte die Log-Gammakurven immer nur dann benutzen, wenn ein großer Dynamikumfang eingefangen werden muss. Ist das Motiv eher dunkler und innerhalb der etwa 8 Blenden Dynamikumfang, welche eine 8-Bit Kamera abbilden kann, fährt man ohne Log-Gammakurve besser. Denn für die Bildinformationen steht die ganze Signalbandbreite zur Verfügung, während Log auch Daten für helle Bildbereiche reserviert.
Das gilt auch für Lichtsituationen die man gut kontrollieren kann, also Studiodreh oder ausgeleuchteter On-Location-Dreh. Hier ist man in der Regel bemüht, innerhalb der Möglichkeiten der Kamera auszuleuchten. Ein Log an dieser Stelle würde unnötige Mehrarbeit in die Postproduktion verlagern.
Belichtung und Bildrauschen
Für die Kontrolle der richtigen Belichtung sollte man unbedingt eine Waveform-Anzeige verwenden. S-Log 2 etwa hat eine flachere, S-Log 3 eine steilere Gammakurve. Sie bieten 14 Blenden Belichtungsumfang an. Wenn man ein 18% Graukarte vor die Kamera ins von den verwendeten Lichtquellen ausgeleuchtete Bild hält, so ist S-Log 2 bei 32 % und S-Log 3 bei 40% Anzeige auf dem Waveform Monitor richtig belichtet. Das heißt aber nicht, dass man nicht aufpassen muss, dass die Lichter übersteuern, also clippen dürfen.
Dunkle Schatten sollten übrigens bei 20 IRE auf dem Waveform Monitor liegen. (IRE ist eine Maßeinheit, die schon in Zeiten des analogen Fernsehens entwickelt wurde.) Alles was bei Log Codecs unter den 20 IRE liegt, dürfte mit hoher Wahrscheinlichkeit Bildrauschen enthalten. Und das reine Schwarz sollte bei 10 IRE liegen.
Eine Graukarte, welche 18% an Licht reflektiert, sollte im Waveform Monitor einen IRE von 42 erreichen, dann ist die Belichtung richtig eingestellt. Wenn man seine Blende so eingestellt hat, dass die Graukarte bei 42 liegt, werden Hauttöne je nach Hauttyp zwischen 30 und 70 IRE liegen. Das heißt dann nicht, dass auch die Ausleuchtung stimmt, zu helles Licht von einem Fenster etwa, muss trotzdem mit ND Folie etc. abgedunkelt werden und zu dunkle Bildanteile mit Licht aufgehellt. Das ist dann Lichtsetzung. Wir sprechen an dieser Stelle nur von der Belichtung.
Zwischen 70 und 80 IRE sollten die Lichter liegen und bei 90 das Weiß. All diese Werte beziehen sich auf die Verwendung von Logs.
Für die Bildkontrolle beim Drehen mit Log-Gammakurven sind auch deshalb Monitore mit einem passenden LUT, sehr hilfreich und wichtig. Bildrauschen entsteht durch Unterbelichtung in den Schattenbereichen, man sollte sich beim Belichten nie von dem Monitorbild beeinflussen lassen, das ist wegen der besseren Sichtbarkeit eigentlich immer zu hell eingestellt. Wer nach dem Monitor belichtet, belichtet meistens unter.
Das bedeutet eine leicht hellere Belichtung als normal, das sind grob 1 bis 2 Blendenstufen, damit sorgt man dafür, dass die Schattenbereiche auf jeden Fall ordentlich differenziert sind und nicht später im Grading verstärkt werden müssen, was evtl. Rauschen erzeugen würde. Im Gegenteil, man senkt die Schattenbereiche im Grading meistens sogar wieder etwas ab, wodurch das Rauschen verschwindet.
Bildrauschen wird immer in den dunklen Partien als erstes sichtbar, obwohl es theoretisch auch Bildrauschen in den hellen Bereichen gibt. Dieses entsteht durch unterschiedliche Messungen der einzelnen Photodioden auf dem Sensor, auch Sensel genannt. Wenn in einer Schattenpartie bei wenig Licht eine gewissen Anzahl von Photonen gemessen werden, so kann es sein, dass diese Messwerte, in ihrer Wertigkeit geringfügig schwanken, also beispielsweise zwischen 18, 19 und 20 als Photonenwert hin und her schwanken. Da die Signalbandbreite in den Schatten recht gering ist und ein Wert von 3 Abweichung auf einen Gesamtwert von 20 immerhin 5% ausmacht, werden solche Schwankungen schnell als Flackern bzw. Bildrauschen sichtbar.
Die gleichen 3 Photonen Schwankung in den Lichtern, wo mehrere Tausend Photonen gemessen werden, stellen im Vergleich einen so kleinen Prozentsatz dar, dass sie einfach nicht ins Gewicht fallen.
Tipp: Bei längerer Lagerung der Kamera, aber auch bei Temperaturschwankungen kann es sein, dass der Schwarzwert nicht mehr korrekt ist. Deshalb sollte man zu Beginn jeden Drehtages einen Schwarzabgleich vornehmen, das stellt insbesondere bei RAW Aufnahmen sicher, dass man sich kein Bildrauschen durch falsche Schwarzwerte einhandelt.
Grading
Das was eine Log-Gammakurve mit der Verteilung von Helligkeiten bei der Aufnahme tut, muss man später im Grading wieder ausgleichen. Je nach Kurve sieht das unterschiedlich aus. Eine grobe Richtung besteht darin, die Einstellung der Helligkeit nicht über den gesamten Verlauf sondern nur punktuell vorzunehmen, entweder indem man die Kurve im Grading Programm verändert oder über Farbräder.
Als erstes werden die Mitteltöne in der Gammakurve zurückgenommen, wobei man aufpassen muss, dass man Schattenbereiche, nicht ins Minus zieht. Als Richtwert kann man von etwas mehr als 30% ausgehen. Danach hebt man im oberen Bereich der Kurve die hellen Werte noch ein wenig an, hier sind zumeist ca 4-6% ausreichend. Von diesen Einstellungen ausgehend kann man dann die eigentliche Farbkorrektur beginnen.
Wiedergabeseite
All diese Mühen sind vor allem wichtig, um bei der Aufnahme Helligkeitsunterschiede besser aufzeichnen zu können. Denn die größeren Wortbreiten, also 10, 12 oder 14 Bit kommen bei den Endgeräten, den Flatscreen Fernsehern oder Computermonitoren bisher so gut wie gar nicht vor. Normale Bildschirme, also nicht HDR fähige Geräte haben mehrheitlich 8 Bit, was aber ausreicht, wenn das Videobild mit höherer Bitrate entsprechend gegradet wurde. Erst HDR ermöglicht 10 und mehr Bit.
Aber auch 8-Bit Displays profitieren von einem größeren Dynamikumfang der Kameras. Denn spätestens im Grading in 10, 12, 14 Bit werden die verschiedenen Helligkeitsstufen auf das Ausgabeformat übersetzt. Dabei werden in der Regel die hellen und die Dunklen Endpunkte erhalten, dafür aber die Zwischenschritte reduziert. Auf diese Weise gibt es zwar weniger Abstufungen in 8 Bit als in 10, 12, oder 14 Bit, doch der im aufgenommenen Motiv vorhandene Dynamikumfang wird in 8 Bit übersetzt.
